Ce schéma montre deux électrodes en or séparées par une nanofente remplie d'un matériau non linéaire. Un réseau à l'échelle nanométrique de chaque côté de la fente dirige les ondes plasmoniques vers la fente en intensifiant le champ lumineux de 80 fois. Une petite tension est appliquée aux électrodes produisant un champ électrique massif à travers la fente étroite produisant une source lumineuse EFISH. Crédit :Mark Brongersma
Peu de temps après le développement du premier laser en 1960, les scientifiques ont découvert que faire briller un faisceau à travers certains cristaux produisait une lumière d'une couleur différente; plus précisement, il a produit une lumière d'exactement deux fois la fréquence de l'original. Le phénomène a été surnommé la génération de deuxième harmonique.
Les pointeurs laser verts utilisés aujourd'hui pour illustrer les présentations sont basés sur cette science, mais produire un si beau faisceau d'émeraude n'est pas une mince affaire. La lumière verte commence comme un rayon infrarouge qui doit d'abord être traité à travers un cristal, divers objectifs et autres éléments optiques avant qu'il ne puisse éclairer ce PowerPoint sur l'écran devant vous.
Il a été découvert plus tard que l'application d'un champ électrique à certains cristaux produisait un effet similaire, bien que plus faible, rayon de lumière. Cette seconde découverte, connu sous le nom d'EFISH - pour la génération de lumière seconde harmonique induite par un champ électrique - s'est constitué principalement à un peu de connaissances scientifiques intéressantes et à peine plus. Les appareils EFISH sont gros, lasers exigeants de grande puissance, de gros cristaux et des milliers de volts d'électricité pour produire l'effet. Par conséquent, ils ne sont pas pratiques pour toutes les applications sauf quelques-unes.
Dans un article publié aujourd'hui dans Science , des ingénieurs de Stanford ont fait la démonstration d'un nouveau dispositif qui réduit les dispositifs EFISH de plusieurs ordres de grandeur à l'échelle nanométrique. Le résultat est une source lumineuse ultra-compacte avec des fonctions optiques et électriques. Les implications de la recherche pour l'appareil vont d'une meilleure compréhension de la science fondamentale à l'amélioration des communications de données.
Des électrons à ressort
Le dispositif est basé sur les forces physiques qui lient les électrons en orbite autour d'un noyau.
"C'est comme un printemps, " a déclaré Mark Brongersma, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford.
Dans la plupart des cas, quand tu éclaires un atome, l'énergie ajoutée éloignera l'électron du noyau chargé positivement de manière très prévisible, de façon linéaire, de sorte que lorsque la lumière est éteinte et que l'électron revient sur son orbite d'origine, l'énergie libérée est la même que la lumière qui l'a déplacée.
Ce schéma montre comment les doubles fonctions électriques et optiques de l'appareil EFISH pourraient être utilisées pour communiquer des données dans un environnement à puce. Crédit :Mark Brongersma
La phrase clé ici étant :« dans la plupart des cas ». Lorsque la source lumineuse est un laser à haute intensité éclairant un solide, les chercheurs ont découvert que plus les électrons sont éloignés des noyaux, moins la lumière interagit de manière linéaire avec les atomes.
"En d'autres termes, l'interaction lumière-matière devient non linéaire, " a déclaré Alok Vasudev, un étudiant diplômé et co-auteur de l'article. "La lumière que vous éteignez est différente de la lumière que vous mettez. Faites briller un puissant laser dans le proche infrarouge sur le cristal et une lumière verte est exactement deux fois plus élevée que la fréquence qui en ressort."
Possibilités d'ingénierie
"Maintenant, Alok et moi avons pris cette connaissance et l'avons réduite à l'échelle nanométrique, " a déclaré le premier auteur de l'article, Wenshan Cai, chercheur post-doctoral dans le laboratoire de Brongersma. "Pour la première fois, nous avons un dispositif optique non linéaire à l'échelle nanométrique qui possède à la fois des fonctionnalités optiques et électriques. Et cela offre des possibilités d'ingénierie intéressantes."
Pour de nombreuses applications photoniques, y compris le traitement du signal et de l'information, il est souhaitable de manipuler électriquement la génération de lumière non linéaire. Le nouvel appareil ressemble à un nœud papillon à l'échelle nanométrique avec deux moitiés de feuille d'or symétrique approchant, mais pas tout à fait touchant, dans le centre. Cette mince fente entre les deux moitiés est remplie d'un matériau non linéaire. L'étroitesse est critique. Il ne fait que 100 nanomètres de diamètre.
« EFISH nécessite un champ électrique énorme. De la physique de base, nous savons que la force d'un champ électrique varie linéairement avec la tension appliquée et inversement avec la distance entre les électrodes - une plus petite distance, champ plus fort et vice versa, " dit Brongersma. " Alors, si vous avez deux électrodes placées très près l'une de l'autre, comme nous le faisons dans notre expérience, il ne faut pas beaucoup de volts pour produire un champ électrique géant. En réalité, cela ne prend qu'un seul volt."
"C'est cette science fondamentale qui nous permet de réduire l'appareil par des ordres de grandeur de l'échelle humaine à l'échelle nanométrique, " dit Caï.
Entrez dans la plasmonique
Le domaine d'expertise de Brongersma, plasmonique, puis entre en scène. La plasmonique est l'étude d'un curieux phénomène physique qui se produit lorsque la lumière et le métal interagissent. Lorsque les photons frappent le métal, ils produisent des vagues d'énergie se propageant vers l'extérieur sur la surface du métal, comme les ondulations lorsqu'un caillou tombe dans un étang.
Les ingénieurs ont appris à contrôler la direction des ondulations en modelant la surface du métal de telle sorte que presque toutes les ondes d'énergie soient canalisées vers l'intérieur vers la fente entre les deux électrodes métalliques.
La lumière se déverse dans la crevasse comme au bord d'une cascade et là elle s'intensifie, produisant une lumière environ 80 fois plus forte que les niveaux laser déjà intenses dont elle provenait. Les chercheurs appliquent ensuite une tension modeste au métal, ce qui entraîne l'énorme champ électrique nécessaire pour produire un faisceau EFISH.
Applications pratiques
"Ce type d'appareil pourrait un jour trouver une application dans l'industrie des communications, " dit Brongersma. " La plupart des masses d'informations et d'interactions sur les réseaux sociaux que nous envoyons via nos centres de données, et les futures données que nous créerons un jour, sont sauvegardés et transmis sous forme d'énergie électrique - des uns et des zéros."
"Ces uns et ces zéros ne sont qu'un interrupteur ; l'un est allumé, zéro est éteint, " a déclaré Cai. " Alors que le transport d'informations optiques plus écoénergétiques gagne rapidement en importance, ce n'est pas un grand pas pour voir pourquoi les appareils qui peuvent convertir les signaux électriques en signaux optiques et inversement sont d'une grande valeur. »
Pour le moment, cependant, les chercheurs avertissent que les applications pratiques restent à venir, mais ils ont créé quelque chose de nouveau.
"C'est un grand morceau de science fondamentale, " a déclaré Brongersma. " C'est un travail qui combine plusieurs disciplines - l'optique non linéaire, électronique, plasmonique, et l'ingénierie à l'échelle nanométrique - dans un appareil vraiment intéressant qui pourrait nous occuper pendant un certain temps."
